Verwendung eines elektrischen Messgerätes, das auf der Änderung der elektrischen Eigenschaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt Das Hauptpatent betrifft ein elektrisches Mess gerät, das auf der Änderung der elektrischen Eigen schaften beruht, die ein Halbleiterkörper unter der Wirkung eines Magnetfeldes erfährt sowie die Ver wendung dieses Messgerätes zur Messung eines Magnetfeldes. Als Halbleiterkörper wird eine halb leitende Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit (Beweglichkeit der Ladungsträger, nämlich der Elektronen oder der Defektelektronen) von 6000 cm=jVolt,'sec oder mehr vorgesehen.
Durch die gemäss dem Hauptpatent zu verwen denden Halbleiterstoffe mit Trägerbeweglichkeiten von 6000 Cm2Voltsec oder mehr ergibt sich u. a. der Vorteil, dass bei gleicher geometrischer Dimen- sionierung des Halbleiterkörpers als Messkörper und bei gleicher aufgenommener Primärleistung sowie bei gleicher Ladungsträgerkonzentration des Mess- körpers, die im Magnetfeld auftretende Widerstands änderung bzw. Hallspannung wesentlich grösser wird als bei den bisher bekannten Geräten.
Dies bedeutet eine entsprechende Erhöhung der Messgenauigkeit bzw. der Empfindlichkeit. Als halbleitende Verbin dungen, die die oben geforderten Trägerbeweglich- keiten aufweisen, kommen insbesondere solche von der Form AIIIBv, in Betracht. Ihre Eigenschaften und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in der Schweizer Patentschrift Nr. 310622 beschrieben.
Aus dieser Stoffgruppe sind besonders InSb und InAs, deren Trägerbeweglichkeit einen Wert von über 20 000 cm2; Vollsec erreicht, hervorzuheben; darüber hinaus ist InAs wegen seines sehr kleinen Temperaturkoeffi zienten gegenüber Germanium, das bisher in ähn lichen Geräten verwendet worden ist, von technisch hervorragender Bedeutung.
Der besondere Wert der Erfindung nach dem Hauptpatent ist darin zu sehen, dass die Hallspan- nung der zur Anwendung gelangenden Verbindungen leistungsmässig - über Galvanometergrössen hinaus gehend - belastet werden kann, das heisst, dass es möglich ist, die Hauspannung unmittelbar, also ohne Verstärker mit hochohmigem Eingang, auf leistungs aufnehmende Einrichtungen zu schalten. Bei einem der bekannten Geräte, z. B. bei einem Germanium Halbleitergerät, würde die Hallspannung bei einer derartigen Belastung zusammenbrechen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Weiterbildung der Verwendung des Gerätes nach dem Hauptpatent zur Messung magnetischer Eigen schaften an Grenzflächen magnetischer, vorzugsweise ferromagnetischer Körper. Das Gerät kann hierzu mit einem oder mehreren Halbleiterkörpern ausge rüstet sein. Das Gerät kann z. B. zur Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Gleich- oder Wechselfeldstärke an der . Oberfläche magnetischer Körper oder zur Messung der Normalkomponente der Gleich- oder Wechselinduktion oder der Magne- tisierungsintensität an der Grenzfläche magnetischer Körper verwendet werden.
Zur Messung kann der Halleffekt und/oder die magnetische Widerstands änderung ausgenutzt werden.
Zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfin dung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige Beispiele für die Verwendung des Gerätes dargestellt sind. Es zeigen: Fig. 1 und 2 die Verwendung des Gerätes zur Messung der Tangentialkomponente der Magnet feldstärke an der Oberfläche eines magnetischen Körpers, Fig. 3 die Verwendung des Gerätes zur Messung der Normalkomponente der Induktion oder der Magnetisierungsintensität an der Grenzfläche eines magnetischen Körpers, Fig. 4 die Verwendung des Gerätes zur Erfassung der Textur eines Magnetbleches.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Magnetisierungsdoppeljoch bezeichnet. Zwischen den einstellbaren Polschuhen la ist der magnetische Körper 2, auf dessen Oberfläche die magnetische Feldstärke zu messen ist, einge spannt. Die Erregerwicklungen des Magnetisierungs- joches sind mit 3 bezeichnet. Der Halbleiterkörper, mit dem die Messung vorgenommen wird, ist bei 4 dargestellt. Seine Anordnung geht deutlicher aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 2 hervor.
Der magnetische Körper, dessen Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke gemessen werden soll, ist wieder mit 2 und der Halbleiterkörper, der als Plättchen ausgeführt ist, mit 4 bezeichnet. Die Pri- märstromelektroden sind mit 11 und 12, die Hall elektroden mit 13 und 14 und der Verlauf des Magnetfeldes ist durch Pfeile angegeben.
Das Halb leiterplättchen ist so angeordnet, dass die durch die Richtung der Hallelektroden - worunter hier und im folgenden die Richtung einer gedachten Verbin dungsgeraden zwischen den Hallelektroden verstan den wird - und die Richtung des Primärstromes gegebene Fläche des Halbleiterkörpers senkrecht zu der zu messenden Tangentialkomponente der magne tischen Feldstärke des magnetischen Körpers liegt. Diese Fläche ist in Richtung der Hallelektroden übertrieben gross gezeichnet. Die Ausdehnung in die ser Richtung ist nämlich so klein gehalten, dass der Einfluss des Abfalles der Feldstärke in dieser Rich tung im Halbleiterkörper vernachlässigbar ist.
Neben den allgemeinen Vorteilen der Halbleiter geräte dieser Art liegt ein besonderer Vorteil für die Verwendung derselben zur Messung der Tangential- komponente eines Magnetfeldes darin, dass ihre Ab messung in der genannten Richtung sehr klein ge macht werden kann. Die bisher bekannten Einrich tungen für die Messung der Tangentialkomponente der magnetischen Feldstärke, z. B. der magnetische Spannungsmesser, weisen zwangläufig in dieser Rich tung eine um eine bis zwei Zehnerpotenzen grössere Ausdehnung auf und sind daher für extrem lokal beschränkte Feldmessungen ungeeignet.
Dieser Vor teil des erfindungsgemässen Gerätes ermöglicht eine verhältnismässig einfache Messung der magnetischen Feldstärke an dünnen Platten, die senkrecht zu ihrer grössten Fläche magnetisiert sind, z. B. aus Werk stoffen mit extrem hoher Koerzitivkraft, wie Oxyd magneten oder Magneten aus Mangan-Wismut, Pla- tin-Kobalt, Platin-Eisen usw. Diese schwierige Auf gabe der magnetischen Messtechnik konnte mit bisher bekannten Einrichtungen nicht gelöst werden.
Hin sichtlich der Materialarten, an denen Messungen vor genommen werden können, bestehen keinerlei Ein schränkungen für die Brauchbarkeit des Gerätes; es eignet sich z. B. auch für Oberflächenmessungen an Dynamoblechen, Weicheisenstäben, Dauermagnet körpern und dergleichen.
Geräte dieser Art sind bei magnetischen Gleich- und Wechselfeldern brauchbar. Anstelle des Hall effektes oder zusätzlich dazu kann, wie bereits im Hauptpatent angegeben, auch von der magnetischen Widerstandsänderung Gebrauch gemacht werden.
Bei der Ausnutzung des - Halleffektes kann die Messgenauigkeit der Anordnung durch Ohmsche und induktive Nullkompensation des Hallkreises nach einer der bekanntgewordenen Methoden verbessert werden.
Weiterhin kann die Empfindlichkeit des Gerätes durch die Anwendung der bei andern Messeinrich- tungen im Prinzip bekannten Kompensationsmethoden gesteigert werden. Zu diesem Zweck verwendet man z. B. im vorliegenden Falle zwei Halbleiterkörper, die primärseitig hintereinander- oder parallel- und hallseitig gegeneinandergeschaltet sind. Beide Halb leiterkörper werden zunächst an einen bestimmten Ausgangspunkt des magnetischen Körpers gebracht und so abgeglichen, dass sich die Hallspannungen aufheben.
Dann wird der eine Halbleiterkörper an eine andere Stelle des magnetischen Körpers gebracht, und aus der resultierenden Hallspannung wird die Abweichung der Magnetfeldstärke gegenüber dem Ausgangspunkt ermittelt.
Mit den vorgenannten Massnahmen ist eine Empfindlichkeit der Anordnung zu erreichen, die es erlaubt, lokale Materialunterschiede und Feldinhomo- genitäten in extremer Feinheit zu erfassen und gege benenfalls über die ganze Oberfläche eines magne tischen Werkstückes fortlaufend, z. B. graphisch, zu registrieren. Dies ist z. B. für die Fabrikationsüber wachung oder für die magnetische Fehleranalyse von besonderer technischer Bedeutung.
Mit gleicher Emp findlichkeit sind Feldinhomogenitäten, die auf un gleichmässiger Magnetisierung eines an sich gleich mässigen Materials beruhen sowie die langsam ver laufenden magnetischen Nachwirkungs- und Alte rungsvorgänge verhältnismässig einfach zu erfassen und zu registrieren.
In Fig. 3 ist mit 21 ein Magnetdoppeljoch mit den verstellbaren Polstücken 21 a dargestellt. Die Erregerwicklungen sind bei 22 angedeutet. Ein mit 23 bezeichneter magnetischer Körper ist so ange bracht, dass der mit 24 bezeichnete Luftspalt zwi schen dem Körper und dem gegenüberliegenden Pol schuh so klein als möglich, z. B. in der Grössen ordnung von 0,1 mm, und über die ganze Aus dehnung der Fläche des magnetischen Körpers gegen über dem Polschuh konstant ist. In diesem Luftspalt ist ein mit 25 bezeichneter Halbleiterkörper angeord net, und zwar so, dass die durch die Richtung der Hallelektroden und durch die Richtung des Primär stromes gegebene Fläche des Halbleiterkörpers un mittelbar an der Grenzfläche (26) des Körpers 23 anliegt.
Die den Halbleiterkörper durchsetzenden Induktionslinien sind durch Pfeile angedeutet. Der Übersicht halber ist auf die Darstellung der Zuleitungen für die Primärstrom- und Hauelektroden verzichtet. Es wird darauf hingewiesen, dass Gestalt und Lage der mit 26 angegebenen Grenzfläche des Magnetkörpers nicht an das dargestellte Beispiel ge bunden sind; es sind auch andere Begrenzungs flächen des Magnetkörpers zulässig, vorausgesetzt, dass der gegenüberliegende Polschuh so ausgeführt ist, dass die oben angegebenen Bedingungen hinsicht lich des Luftspaltes erfüllt sind. Die Grösse des Halbleiterkörpers ist zweckmässigerweise so zu wäh len, dass er die Grenzfläche des Magnetkörpers, an der die Messung vorgenommen werden soll, an keiner Stelle überragt.
Der Luftspalt 24 kann auch zwischen zwei gleich artige und vorzugsweise gleich grosse Magnetkörper gelegt werden, oder es kann zu beiden Seiten eines Magnetkörpers je ein Luftspalt mit je einem Halb leiterkörper angeordnet werden; in diesem Falle ist es zweckmässig, die beiden Halbleiterkörper hauseitig in Serie zu schalten.
Mit einer Anordnung nach Fig.3 kann ausser der Induktion auch die Magnetisierungsintensität (J) bequem gemessen werden, wenn ein weiterer Halb leiterkörper 27, der - gemäss der Anordnung nach Fig. 1 - zur Messung der magnetischen Feldstärke <I>(H -</I> H,) dient, mit dem Halbleiterkörper 25, der die Induktion (B) misst, hallspannungsmässig gegenge schaltet wird; die resultierende Hallspannung stellt dann die Magnetisierungsintensität <I>J</I> =B-H.Ho dar; es können also auch Sättigungsmessungen durch geführt werden.
In Fig.4 ist die Verwendung des Gerätes zur Erfassung der Anisotropie, z. B. der Textur eines Magnetwerkstoffes, dargestellt. Mit 31 ist ein Magnet blech bezeichnet, die magnetische Vorzugsrichtung ist durch die Linien 32 angegeben. Die magnetische Erregung des Bleches kann in an sich bekannter Weise, z. B. durch einen oder mehrere zentrale Lei ter erfolgen, deren Durchstoss durch die Zeichen ebene bei 33 angegeben ist. 34, 35 und 36 stellen Halbleiterkörper in verschiedener radialer Lage dar; ihre Fläche, die durch die Richtung der Hallelek- troden und durch die Richtung des Primärstromes gegeben ist, steht senkrecht auf dem Blech, weist jeweils zum Mittelpunkt und hat von diesem jeweils den gleichen Abstand.
Zur Ermittlung der Textur werden nun diejenigen Stellen aufgesucht, bei denen die Hauspannung und. oder die magnetische Wider standsänderung ein Minimum bzw. ein Maximum aufweist. Damit ist die magnetische Vorzugsrichtung und damit die Textur des Bleches ermittelt. Bei kon tinuierlicher Drehung des ringförmigen Messkörpers können die Feldwerte für alle Winkel zur Vorzugs richtung ermittelt und gegebenenfalls fortlaufend registriert werden.
Die Messanordnung kann z. B. auch so gewählt werden, dass zwei Halbleiterkörper primärseitig hintereinander- oder parallelgeschaltet und hauseitig gegengeschaltet sind, vorzugsweise so, dass mindestens einer der beiden Halbleiterkörper auf der Oberfläche des zu messenden Körpers verschiebbar ist.
Use of an electrical measuring device that is based on the change in the electrical properties that a semiconductor body experiences under the action of a magnetic field The main patent relates to an electrical measuring device that is based on the change in the electrical properties that a semiconductor body experiences under the action of a magnetic field and the use of this measuring device to measure a magnetic field. A semi-conductive connection with a carrier mobility (mobility of the charge carriers, namely the electrons or the defect electrons) of 6000 cm = jVolt, sec or more is provided as the semiconductor body.
By according to the main patent to be used semiconductor materials with carrier mobilities of 6000 Cm2Voltsec or more results u. a. the advantage that with the same geometrical dimensioning of the semiconductor body as the measuring body and with the same absorbed primary power and with the same charge carrier concentration of the measuring body, the change in resistance or Hall voltage occurring in the magnetic field is significantly greater than with the previously known devices.
This means a corresponding increase in the measurement accuracy or the sensitivity. Particularly suitable semiconducting compounds which have the carrier mobilities required above are those of the form AIIIBv. Their properties and processes for their production are described in Swiss Patent No. 310622.
InSb and InAs, whose carrier mobility has a value of over 20,000 cm2; Vollsec achieved, to be emphasized; Furthermore, InAs is of outstanding technical importance because of its very small Temperaturkoeffi compared to germanium, which has been used in similar devices up to now.
The particular value of the invention according to the main patent can be seen in the fact that the Hall voltage of the connections used can be loaded in terms of power - beyond galvanometer sizes - which means that it is possible to use the house voltage directly, i.e. without an amplifier high-resistance input to switch to power consuming devices. In one of the known devices, e.g. B. in a germanium semiconductor device, the Hall voltage would collapse under such a load.
The present invention is a development of the use of the device according to the main patent for measuring magnetic properties proper at interfaces of magnetic, preferably ferromagnetic bodies. For this purpose, the device can be equipped with one or more semiconductor bodies. The device can e.g. B. to measure the tangential component of the magnetic direct or alternating field strength on the. Surface of magnetic bodies or to measure the normal component of the direct or alternating induction or the magnetization intensity at the interface of magnetic bodies.
The Hall effect and / or the change in magnetic resistance can be used for the measurement.
To further explain the present inven tion, reference is made to the drawing, in which some examples of the use of the device are shown. 1 and 2 show the use of the device for measuring the tangential component of the magnetic field strength on the surface of a magnetic body, Fig. 3 the use of the device for measuring the normal component of induction or the magnetization intensity at the interface of a magnetic body, Fig 4 the use of the device for detecting the texture of a magnetic sheet.
In Fig. 1, 1 denotes a magnetizing double yoke. The magnetic body 2, on the surface of which the magnetic field strength is to be measured, is clamped between the adjustable pole pieces la. The excitation windings of the magnetization yoke are labeled 3. The semiconductor body with which the measurement is carried out is shown at 4. Its arrangement can be seen more clearly from the perspective illustration in FIG.
The magnetic body, whose tangential component of the magnetic field strength is to be measured, is again labeled 2 and the semiconductor body, which is designed as a plate, is labeled 4. The primary current electrodes are indicated by 11 and 12, the Hall electrodes by 13 and 14 and the course of the magnetic field is indicated by arrows.
The semiconductor plate is arranged in such a way that the surface of the semiconductor body given by the direction of the Hall electrodes - including here and below the direction of an imaginary connecting straight line between the Hall electrodes - and the direction of the primary current are perpendicular to the tangential component of the magnet to be measured table field strength of the magnetic body. This area is drawn exaggerated in the direction of the Hall electrodes. The expansion in this direction is kept so small that the influence of the drop in field strength in this direction in the semiconductor body is negligible.
In addition to the general advantages of semiconductor devices of this type, a particular advantage of using them to measure the tangential component of a magnetic field is that their dimensions in the direction mentioned can be made very small. The previously known Einrich lines for measuring the tangential component of the magnetic field strength, z. B. the magnetic voltmeter, inevitably have in this direction one to two powers of ten larger expansion and are therefore unsuitable for extremely localized field measurements.
This part of the inventive device allows a relatively simple measurement of the magnetic field strength on thin plates that are magnetized perpendicular to their largest surface, z. B. from materials with extremely high coercive force, such as oxide magnets or magnets made of manganese-bismuth, platinum-cobalt, platinum-iron, etc. This difficult task of magnetic measurement technology could not be solved with previously known devices.
With regard to the types of materials on which measurements can be made, there are no restrictions on the usability of the device; it is suitable e.g. B. bodies for surface measurements on dynamo sheets, soft iron rods, permanent magnets and the like.
Devices of this type can be used with magnetic direct and alternating fields. Instead of or in addition to the Hall effect, use can also be made of the change in magnetic resistance, as stated in the main patent.
When using the Hall effect, the measurement accuracy of the arrangement can be improved by ohmic and inductive zero compensation of the Hall circuit using one of the methods that have become known.
Furthermore, the sensitivity of the device can be increased by using the compensation methods known in principle from other measuring devices. For this purpose one uses z. B. in the present case two semiconductor bodies which are connected on the primary side in series or in parallel and against each other on the Hall side. Both semi-conductor bodies are first brought to a specific starting point of the magnetic body and balanced in such a way that the Hall voltages cancel each other out.
One of the semiconductor bodies is then moved to a different location on the magnetic body, and the deviation in the magnetic field strength from the starting point is determined from the resulting Hall voltage.
With the aforementioned measures, a sensitivity of the arrangement can be achieved which allows local material differences and field inhomogeneities to be recorded with extreme fineness and, if necessary, continuously over the entire surface of a magnetic workpiece, e.g. B. graphically to register. This is e.g. B. for fabrication monitoring or for magnetic failure analysis of particular technical importance.
With the same sensitivity, field inhomogeneities that are based on uneven magnetization of an inherently uniform material and the slow-moving magnetic after-effects and aging processes are relatively easy to detect and register.
In Fig. 3, a magnetic double yoke with the adjustable pole pieces 21 a is shown at 21. The excitation windings are indicated at 22. A designated 23 magnetic body is placed so that the air gap designated by 24 between tween the body and the opposite pole shoe as small as possible, for. B. in the order of 0.1 mm, and over the entire expansion of the area of the magnetic body is constant with respect to the pole piece. In this air gap, a designated 25 semiconductor body is angeord net, in such a way that the surface of the semiconductor body given by the direction of the Hall electrodes and the direction of the primary current rests directly on the interface (26) of the body 23.
The induction lines passing through the semiconductor body are indicated by arrows. For the sake of clarity, the supply lines for the primary current and main electrodes are not shown. It should be noted that the shape and position of the boundary surface of the magnetic body indicated by 26 are not related to the example shown; Other boundary surfaces of the magnet body are also permitted, provided that the opposite pole piece is designed in such a way that the conditions specified above with regard to the air gap are met. The size of the semiconductor body is expediently chosen so that it does not protrude at any point over the boundary surface of the magnetic body on which the measurement is to be carried out.
The air gap 24 can also be placed between two similar and preferably equally large magnetic bodies, or an air gap each with a semiconductor body can be arranged on both sides of a magnetic body; in this case it is expedient to connect the two semiconductor bodies in series in the building.
With an arrangement according to FIG. 3, in addition to induction, the magnetization intensity (J) can also be conveniently measured if a further semiconductor body 27, which - according to the arrangement according to FIG. 1 - is used to measure the magnetic field strength <I> (H - < / I> H,) is used, with the semiconductor body 25, which measures the induction (B), is switched against the Hall voltage; the resulting Hall voltage then represents the magnetization intensity <I> J </I> = B-H.Ho; saturation measurements can also be carried out.
In Fig.4 the use of the device for detecting the anisotropy, z. B. the texture of a magnetic material shown. At 31, a magnet sheet is designated, the preferred magnetic direction is indicated by the lines 32. The magnetic excitation of the sheet metal can in a known manner, for. B. be done by one or more central Lei ter, the penetration of which is indicated by the level of characters at 33. 34, 35 and 36 represent semiconductor bodies in different radial positions; its area, which is given by the direction of the Hall electrodes and the direction of the primary current, is perpendicular to the sheet metal, points towards the center point and is at the same distance from it.
To determine the texture, those locations are now sought where the house voltage and. or the change in magnetic resistance has a minimum or a maximum. This determines the preferred magnetic direction and thus the texture of the sheet. With continuous rotation of the ring-shaped measuring body, the field values can be determined for all angles to the preferred direction and, if necessary, continuously recorded.
The measuring arrangement can, for. B. can also be selected so that two semiconductor bodies are connected in series or in parallel on the primary side and connected against each other on the house side, preferably so that at least one of the two semiconductor bodies is displaceable on the surface of the body to be measured.